Vladimir José Ferrari
REFORÇO À FLEXÃO DE VIGAS DE CONCRETO ARMADO COM
MANTA DE POLÍMERO REFORÇADO COM FIBRAS DE CARBONO
(PRFC) ADERIDO A SUBSTRATO DE TRANSIÇÃO CONSTITUÍDO
POR COMPÓSITO CIMENTÍCIO DE ALTO DESEMPENHO
Tese apresentada à Escola de Engenharia de São Carlos da Universidade de São Paulo, como parte dos requisitos para a obtenção do Título de Doutor em Engenharia de Estruturas.
Orientador: Prof. Titular João Bento de Hanai
“Porque nele se descobre a justiça de Deus de fé em fé, como está escrito: Mas o justo viverá da fé”.
(Rm 1:17)
“Bendito o homem que confia no Senhor, e cuja esperança é o Senhor. Ele será como a árvore plantada junto às águas, que estende as suas raízes para o ribeiro. Não receia quando vem o calor, suas folhas são sempre verdes. No ano da sequidão não se perturba, nem deixa de dar fruto”.
AGRADECIMENTOS
Ao Senhor Deus, que pela tua imensa misericórdia concedeu-me saúde e disposição para cumprir mais esta jornada científica de três anos;
À Claudia, fiel esposa, que se abdicou de suas atividades em Maringá, nossa cidade natal, para me acompanhar nesta trajetória;
Ao Professor João Bento de Hanai, pelas estratégias, entusiasmo e orientação que permitiram dar um caráter científico ao trabalho;
À CAPES e a FAPESP pela concessão da bolsa de doutorado; Gostaria de destacar a participação dos seguintes colegas:
Luiz E. T. Ferreira, pelo incentivo e grande auxílio no desenvolvimento e na análise do compósito fibroso;
Ao Eng. Civil Bruno, da Maccaferri América Latina, pela doação das macrofibras de aço e atenção na fabricação das microfibras de aço;
Ao Eng. Civil Edson Matar, da Escale Engenharia, pelo auxílio na compra da manta de fibra de carbono e do adesivo epóxi;
A Rodrigo Paccola e Claudius de S. Barbosa, pelo grande auxílio na análise computacional utilizando-se o programa Diana;
Aos técnicos do Laboratório de Estruturas, em especial o Amauri e o Luiz Vareda, pela atenção e disposição na realização dos diversos ensaios;
Ao técnico Benedito O. de Souza, o “Dito”, do Laboratório de Mecânica das Rochas do Departamento de Geotécnica, pelo auxílio na realização dos ensaios de flexão nos
compósitos;
A agradável companhia dos irmãos da Igreja Presbiteriana Renovada de São Carlos, em especial ao Pr. Nelson e família, que tornaram este período em São Carlos mais alegre; A todos os demais amigos, funcionários e professores do Departamento de Engenharia
FERRARI, V. J. Reforço à flexão de vigas de concreto armado com manta de polímero reforçado com fibras de carbono (PRFC) aderido a substrato de transição constituído por compósito cimentício de alto desempenho. Tese (Doutorado) – Escola de Engenharia de São Carlos, Universidade de São Paulo, São Carlos, 2007.
A técnica caracterizada pela colagem de polímeros reforçados com fibras de carbono (PRFC) em elementos estruturais de concreto vem sendo aplicada com sucesso no reforço de estruturas em todo o mundo. Resistência à corrosão, elevada resistência à tração, baixo peso, facilidade e rapidez de aplicação, são algumas das características interessantes que têm contribuído para a sua disseminação. Nesta pesquisa propõe-se uma inovação construtiva fundamentada no desenvolvimento de um compósito de alto desempenho à base de cimento Portland e fibras de aço (macro + microfibras), destinado a constituir o que está sendo preliminarmente chamado de “substrato de transição”. A finalidade desse substrato é a de controlar melhor a fissuração do concreto da viga e retardar ou até evitar o desprendimento prematuro do reforço polimérico. Devido à carência de pesquisas semelhantes a aqui proposta, foi realizado um estudo preliminar em vigotas moldadas com fibras de aço e reforçadas externamente com manta de PRFC, onde se verificou que a concepção do substrato de transição é válida. Partiu-se então para a realização de ensaios visando à obtenção de um compósito cimentício com características apropriadas para constituir o substrato de transição. Os resultados e as análises efetuadas mostram que foi possível desenvolver um material de elevado desempenho, traduzido por um comportamento de pseudo-encruamento, com elevados ganhos de resistência e tenacidade ao fraturamento. A aplicação do reforço com manta sobre a superfície do substrato de transição, formado a partir da reconstituição do banzo tracionado da viga com o compósito cimentício, mostrou melhorar significativamente os níveis de desempenho da peça reforçada. Do estudo realizado foi possível comprovar a eficiência da técnica de reforço proposta, além de reunir uma série de informações que podem ser exploradas para se tornarem úteis como critérios de projeto de estruturas recuperadas e reforçadas.
Palavras-chave: reforço de vigas; fibras de carbono (PRFC); concreto com fibras de
Abstract
FERRARI, V. J. Flexural strengthening of reinforced concrete beams with carbon fibers reinforced polymer (CFRP) sheet bonded to a transition layer of high performance cement-based composite. Ph.D. Thesis – Escola de Engenharia de São Carlos, Universidade de São Paulo, São Carlos, 2007.
The technique characterized by bond of the carbon fibers reinforced polymer (CFRP) in structural elements of concrete comes being applied successfully in the strengthening of structures in the whole world. Resistance to the corrosion, high tensile strength, low weight, easiness and rapidity of application, is some of interesting characteristics that have contributed for its dissemination. The objective of this research is to develop an innovate strengthening method for RC beams, based on a high performance cement-based composite of steel fibers (macro + microfibers) to be applied in a transition layer. The purpose of this transition layer is to better control the cracking of concrete and to be late or until avoid the premature detachment of strengthening. Due to lack of similar research here the proposal, was carried through a preliminary study in short beams molded with steel fibers and strengthened with CFRP sheet, where if it verified that the conception of the transition layer is valid. Tests were developed to get a cement-based composite with characteristics to constitute the layer transition. The results shown that were possible to develop a material of high performance with a pseudo strain-hardening behavior, high strength and fracture toughness. The application of the strengthened about the layer transition surface showed significantly to improve the levels of performance of the strengthening beam. Of the carried through study it was possible to prove the efficiency of the new strengthened technique and describe various information that can be explored to become useful as criteria of project of repaired and strengthened structures.
Keywords: strengthened of beams; carbon fibers (CFRP); steel fibers concrete; Fracture
Lista de Abreviaturas e Siglas
DNIT Departamento Nacional em Infra-Estrutura em Transportes PRFC Polímeros reforçados com fibras de carbono
CRFA Concreto reforçado com fibras de aço
CMOD Deslocamento de abertura da entrada do entalhe END Ensaios não-destrutivos
Lista de Símbolos
Letras Romanas Minúsculas
a extensão da fissura a/c relação água/cimento
a0 extensão inicial da fissura
av vão de cisalhamento – distância do apoio a carga concentrada
ac profundidade do entalhe central
ae profundidade do entalhe de extremidade
b largura do elemento (viga ou corpo-de-prova) bw largura da alma de uma viga “T”
bf largura da mesa de uma viga “T”
br largura do reforço
c altura do bloco de tensões retangular do concreto d altura útil da viga
df diâmetro da fibra
dr distância do ponto de aplicação de Rr até a borda mais comprimida
ds distância do ponto de aplicação de Rs1 até a borda mais comprimida
ds2 distância do ponto de aplicação de Rs2 até a borda mais comprimida
di
distância do ponto de aplicação da resultante das armaduras ou do reforço à borda mais comprimida
dmáx diâmetro máximo do agregado graúdo
e distância da face superior da seção ao bloco de tensões de tração do compósito cimentício com fibras
fc resistência à compressão do concreto
fck resistência característica à compressão do concreto
fcm resistência média à compressão do concreto
fct,f resistência à tração do concreto na flexão
fct resistência à tração direta do concreto
fctm,sp resistência média à tração indireta do concreto
feq,2; feq,3 resistências flexionais equivalentes
ffct,L tensão correspondente à força FL
fct,sp resistência à tração indireta do concreto
fR,1; fR,4 resistências flexionais residuais
fy tensão de escoamento do aço
fst resistência à tração do aço
g aceleração da gravidade
h altura do elemento (viga ou corpo-de-prova) hf altura da mesa de uma viga “T”
h1 distância do centro da armadura até a face tracionada da viga
hsp distância do topo do entalhe até a face superior do corpo-de-prova
km coeficiente de limitação da deformação no reforço
lf comprimento da fibra
m massa do corpo-de-prova n número de camadas de reforço
r posição de um ponto à frente da fissura s distância do apoio ao entalhe de extremidade si posição relativa do extensômetro
tr espessura do reforço
us resistência média da aderência entre a armadura e o concreto
x posição da linha neutra
yt distância do centro de gravidade da seção à fibra mais tracionada
Letras Romanas Maiúsculas
Ar área de reforço na seção transversal
As1 área de aço da armadura inferior na seção transversal
As2 área de aço da armadura superior na seção transversal
Alig área do ligamento
DbBZ parcela de absorção de energia pela matriz cimentícia
DfBZ,2 parcela de absorção de energia pelas fibras
DfBZ,3 parcela de absorção de energia pelas fibras
Ecs módulo secante de deformação do concreto
Er módulo de elasticidade do reforço
Es módulo de elasticidade do aço
FL força máxima de offset
FM força máxima suportada pelo CCAD
FR,1 força correspondente ao deslocamento vertical δR1
FR,4 força correspondente ao deslocamento vertical δR4
G taxa de liberação de energia de deformação devido ao avanço da fissura Gc taxa de liberação de energia crítica
GF energia de fratura
Ic momento de inércia da seção bruta de concreto
K fator de intensidade de tensões
KI fator de intensidade de tensões para o modo I
KIC fator de intensidade de tensões crítico do concreto
KII fator de intensidade de tensões para o modo II
KR resistência ao fraturamento
L comprimento do elemento (viga ou corpo-de-prova)
Lv comprimento do vão livre do elemento (viga ou corpo-de-prova)
Lr comprimento de ancoragem do reforço
M momento fletor
Mm momento fletor correspondente à força máxima
Mre momento fletor resistente da seção transversal
Mr momento fletor de fissuração
P força aplicada Pf força de fissuração da viga
Pft força de fissuração teórica
Py força correspondente ao escoamento da armadura inferior da viga
Pyt força teórica correspondente ao escoamento da armadura inferior
Pu força última correspondente à ruína da viga
Pu-ref força última equivalente à ruína da viga de referência, sem reforço
Put força última teórica da viga
Pm força máxima suportada pela viga
Pserv força de serviço da viga
Rf resultante de tração no compósito cimentício com fibras
Rc resultante das tensões no concreto comprimido
Rr resultante das tensões no reforço
Rs1 resultante das tensões na armadura inferior
Rs2 resultante das tensões na armadura superior
Tg temperatura de transição vítrea
Va parcela de esforço cortante absorvida por forças de atrito entre as faces da fissura
Vc parcela de esforço cortante absorvida pelo concreto comprimido
Vf volume de fibras
Vfib parcela de esforço cortante absorvida pelas fibras
Vp parcela de esforço cortante absorvida pelo efeito de pino da armadura
W altura do corpo-de-prova prismático
W0 área contida sob a curva força-deslocamento vertical
Z distância do ponto de aplicação de Rc até a borda mais comprimida
∑Obarra perímetro total das barras da armadura inferior
Letras Gregas Minúsculas
α extensão normalizada da fissura
α1 fator que relaciona a resistência à tração na flexão com a resistência à tração direta
θ curvatura da viga numa dada seção transversal β1 fator que relaciona Lr com Le
εc deformação do concreto
εf deformação da fibra de aço
εcu deformação última de compressão do concreto
δ deslocamento vertical
δL deslocamento vertical correspondente à força FL
δ0 flecha registrada quando P=0
βp coeficiente de largura do reforço
εr deformação do reforço
εru deformação de ruptura de projeto do reforço
εru* deformação de ruptura do reforço
δR1 deslocamento vertical do corpo-de-prova igual a 0,46mm
δR4 deslocamento vertical do corpo-de-prova igual a 3,0mm
εsi deformações específicas das armaduras ou do reforço
εy deformação de escoamento do aço
εy* deformação de escoamento do aço referente ao diagrama bilinear c tensão normal no concreto comprimido
t tensão de tração no compósito cimentício com fibras r tensão normal no reforço
ru tensão máxima admissível no reforço
r(mín) tensão mínima no reforço correspondente à ruína prematura s1 tensão de tração na armadura inferior
s2 tensão na armadura superior
f tensão correspondente à 30% da tensão de ruptura do corpo-de-prova a tensão igual a 0,5MPa
εfa deformação correspondente a f
εa deformação correspondente a a
Sumário
Resumo... i
Abstract... ii
Lista de Abreviaturas e Siglas... iii
Lista de Símbolos... iv
1. Introdução... 01
1.1. Considerações iniciais... 01
1.2. Objetivos... 05
1.3. Justificativas... 05
1.4. Apresentação da tese... 08
1.5. Bibliografia do capítulo... 10
2. Fundamentos teóricos... 11
2.1. Reparo de elementos de concreto... 11
2.1.1 Correção de deficiências em elementos de concreto... 12
2.1.2 Requisitos de desempenho... 18
2.2 Materiais cimentícios reforçados com fibras de aço... 21
2.2.1 Tipos e propriedades das fibras de aço... 22
2.2.2 Características do comportamento de um CRFA... 24
2.2.2.1 Comportamento na flexão de vigas de CRFA... 27
2.2.2.2 Comportamento ao cisalhamento de vigas de CRFA... 30
2.3 CRFA sob o enfoque da Mecânica do Fraturamento... 33
2.3.1 Conceitos iniciais... 33
2.3.2 Curvas de Resistência... 35
2.4 Bibliografia do Capítulo... 38
3. Reforço de vigas de concreto com PRFC... 43
3.1 Considerações gerais... 43
3.2 O sistema de reforço com PRFC... 48
3.3 Processo de aplicação da técnica de reforço com PRFC... 53
3.3.1 Recuperação do substrato de concreto... 54
3.3.2 Preparação da superfície e aplicação do reforço – procedimentos e cuidados... 55
3.4 Ligação entre concreto e reforço... 64
3.5 Estudos realizados por outros autores... 70
3.6 Modelos analíticos... 78
3.6.1 Modelo de ruína clássico... 78
3.6.2 Modelos de ruína prematuros... 81
3.6.2.1 Modelo de Chen & Teng (2001)... 82
3.6.2.2 ACI 440.2R (2002)... 82
4 Estudo preliminar: vigotas moldadas com fibras de aço e reforçadas externamente com manta de PRFC... 89
4.1 Introdução... 89
4.2 Programa experimental... 90
4.2.1 Características das vigotas... 90
4.2.2 Moldagem das vigotas e colagem do reforço... 91
4.2.3 Configuração do ensaio... 94
4.3 Caracterização dos materiais... 96
4.3.1 Ensaios de compressão em corpos-de-prova cilíndricos... 96
4.3.2 Ensaios de tração em barras de aço... 97
4.3.3 Ensaios de flexão em corpos-de-prova entalhados... 98
4.4 Apresentação e análise dos resultados... 101
4.4.1 Modos de ruína... 101
4.4.2 Forças... 104
4.4.3 Deslocamentos verticais... 109
4.4.4 Deformações específicas... 110
4.5 Modelo numérico... 116
4.6 Bibliografia do Capítulo... 126
5 Compósitos cimentícios de alto desempenho... 129
5.1 Introdução... 129
5.2 Configuração do ensaio e instrumentação... 130
5.3 Programa de ensaios... 133
5.4 Preparação dos compósitos... 136
5.5 Resultados... 139
5.5.1 Ensaios de compressão e tração em corpos-de-prova cilíndricos... 139
5.5.2 Ensaios de flexão... 141
5.5.2.1 Forças e resistências... 141
5.5.2.2 Curvas P-CMOD... 148
5.5.2.3 Curvas de Resistência ao Fraturamento... 155
5.5.3 Considerações quanto à definição do melhor compósito cimentício... 160
5.6 Bibliografia do Capítulo... 161
6 Desempenho do CCAD em vigas não armadas entalhadas e reforçadas à flexão com manta de PRFC... 163
6.1 Introdução... 163
6.2 Configuração do ensaio... 164
6.2.1 Características das vigas... 164
6.2.2 Moldagem das vigas... 165
6.2.3 Aplicação do reforço... 167
6.2.4 Ensaio das vigas... 169
6.3 Apresentação e análise dos resultados... 171
6.3.1 Caracterização do microconcreto e do compósito cimentício... 171
6.3.1.2 Ensaios de tenacidade e de Energia de fraturamento... 172
6.3.1.3 Ensaios de tração uniaxial da manta de fibra de carbono... 177
6.3.2 Vigas sem reforço... 178
6.3.2.1 Forças e momentos fletores... 178
6.3.2.2 Vigas com relação av/h = 2,0... 181
6.3.2.3 Vigas com relação av/h = 3,0... 182
6.3.2.4 Vigas com relação av/h = 4,2... 183
6.3.2.5 Concentração de tensões e propagação de fissura nos entalhes... 184
6.3.3 Vigas reforçadas... 190
6.3.3.1 Forças e momentos fletores... 190
6.3.3.2 Deformações no reforço... 195
6.3.3.3 Comportamento das vigas com relação av/h = 2,0... 197
6.3.3.4 Comportamento das vigas com relação av/h = 3,0... 199
6.3.3.5 Comportamento das vigas com relação av/h = 4,2... 201
6.3.3.6 Concentração de tensões e propagação de fissura nos entalhes... 204
6.4 Bibliografia do Capítulo... 210
7 Vigas principais: reconstituição e reforço do banzo tracionado... 211
7.1 Considerações iniciais... 211
7.2 Características das vigas... 211
7.3 Moldagem das vigas e do substrato de transição... 215
7.4 Aplicação do reforço externo... 221
7.5 Configuração do ensaio... 226
7.6 Bibliografia do Capítulo... 231
8 Vigas principais reforçadas com manta de PRFC: apresentação e análise dos resultados... 233
8.1 Considerações iniciais... 233
8.2 Caracterização dos materiais... 233
8.2.1 Ensaios de compressão em corpos-de-prova cilíndricos... 233
8.2.2 Ensaios de flexão em três pontos em corpos-de-prova prismáticos... 235
8.2.3 Ensaio de tração em amostras de barras de aço da armadura... 236
8.2.4 Ensaio de tração uniaxial da manta de fibra de carbono... 237
8.3 Comportamento das vigas principais... 242
8.3.1 Modos de ruína... 242
8.3.2 Forças... 246
8.3.3 Deslocamentos verticais... 247
8.3.4 Deformações... 250
8.3.4.1 Deformações na armadura... 250
8.3.4.2 Deformações no concreto comprimido... 253
8.3.4.4 Comparativo da evolução das deformações na armadura e no
reforço... 260
8.3.4.5 Deformações máximas experimentais e teóricas do reforço... 262
8.4 Deslocamentos horizontais... 264
8.5 Comparação com outras vigas reforçadas... 266
8.6 Análise numérica das vigas principais... 273
8.6.1 Modelo numérico bidimensional não-linear... 273
8.6.2 Resultados da análise numérica... 279
8.7 Bibliografia do capítulo... 292
9 Conclusões e sugestões para trabalhos futuros... 295
1
Imagens capturadas de http://www.quatrorodas.abril.com.br/ em maio de 2005
CAPÍTULO 1
INTRODUÇÃO
1.1.Considerações iniciais
Nos últimos anos, aspectos relacionados à durabilidade, manutenção, recuperação e reforço de estruturas têm-se destacado com mais importância no quadro nacional. Construções que se apresentam com vida útil aquém da desejável, o envelhecimento de grandes estruturas que já operam no limite de sua estabilidade e segurança (algumas de nossas pontes e viadutos, por exemplo), a ausência de inspeções periódicas e manutenções preventivas são alguns dos fatores que concorrem para a relevância dos conceitos relacionados ao reforço e à recuperação estrutural.
Em 25 de janeiro de 2005, a rodovia Régis Bittencourt (BR-116), principal ligação entre São Paulo e o Sul do País, ficou interrompida por vários dias devido ao desabamento (Figura 1.1) de uma das suas duas pontes que passam sobre a represa do Capivari, em Campina Grande do Sul no Paraná.
2
Informação obtida em http://www.dnit.gov.br em maio de 2005
Para a reconstrução da ponte, o DNIT2 (Departamento Nacional de Infra-Estrutura de Transportes) informou que a obra seria executada num prazo de seis meses, dividido em duas etapas. A primeira seria a de reconstruir a ponte e a segunda de reforçar a estrutura da ponte que estava sendo usada no momento para desviar o tráfego.
Na reconstrução e no reforço seriam investidos treze milhões de reais. Entretanto, incluindo serviços para conter a erosão, o deslizamento de terra, além da demolição do restante da ponte que caiu, entre outros, os custos finais aos cofres públicos poderiam chegar a cerca de trinta milhões de reais.
Não se pode esquecer que dois caminhões foram arrastados juntamente com a ponte que desabou. Um deles caiu na represa, causando a morte do seu motorista, o outro caminhão ficou pendurado e três pessoas ficaram feridas.
O objetivo aqui não é o de dramatizar a catástrofe e nem o de investigar as suas causas, mas sim alertar para o fato de que a engenharia civil brasileira não pode mais conviver com a possibilidade da ocorrência de episódios semelhantes.
As informações apresentadas por Nakamura (2005) em reportagem para a revista TÉCHNE, atribuem ao excesso de chuvas o acidente ocorrido. Segundo Mauro Lacerda, professor da Universidade Federal do Paraná, o sistema de drenagem que tinha cerca de quarenta anos, estava no limite de sua vida útil e, por isso, deveria ter recebido atenção especial.
A breve abordagem sobre o acidente na ponte sobre a represa do Capivari, deixa claro o papel relevante e fundamental da manutenção, da recuperação e do reforço das estruturas que se encontram em serviço. Nossas estruturas precisam passar por inspeções rotineiras, por exemplo, a cada dois anos, como recomendam as normas internacionais. No entanto, no Brasil, teoricamente essas inspeções são realizadas somente a cada dez anos.
3
Informação obtida em http://www.saopaulo.sp.gov.br/ em agosto de 2005
A Prefeitura da Cidade de São Paulo3 divulgou recentemente que sob a sua responsabilidade existem 137 viadutos e 47 pontes, sendo que a maioria dessas obras foi construída há décadas e que agora começam a apresentar problemas estruturais.
Da mesma maneira, a demanda por serviços de reparo e reforço estrutural é também sentida por países do velho continente. Em Portugal, o Ministro de Obras Públicas, Transportes e Comunicações anunciou que até 2006, seriam investidos 117 milhões de euros em intervenções em obras de arte existentes, das quais 63 pontes já foram consideradas em estado de emergência. Em 1995, o Reino Unido investiu cerca de US$ 79 bilhões na Indústria da Construção, dos quais 48% foram direcionados para o reparo, manutenção e melhoria das estruturas (BEEBY & ETMAN, 1999).
Como a demanda por serviços, tanto de recuperação quanto de reforço estrutural, vem ganhando importância dentro da área de conhecimento da Engenharia de Estruturas, a aplicação de recursos em serviços nessa área, deve ser feita de maneira a garantir o restabelecimento da segurança estrutural e o aumento da vida útil da estrutura.
A estrutura recuperada e/ou reforçada deve apresentar desempenho superior ao que ela apresentava antes da realização da intervenção. Nesse sentido, o desenvolvimento de novas tecnologias e técnicas que sejam mais seguras e eficientes, desperta a atenção de pesquisadores em vários centros.
A aplicação de polímeros reforçados com fibras de carbono (PRFC) tem-se apresentado como uma alternativa técnica promissora para o reforço de estruturas de concreto armado. Esse material que surgiu como evolução à técnica de reforço com chapas de aço, é resultado da combinação de fibras de alta resistência embebidas numa matriz de epóxi.
Como técnica de reforço de estruturas de concreto armado, a aplicação de PRFC, vem despertando interesse e ganhando aceitação pelas diversas vantagens oferecidas, notadamente aquelas relacionadas à elevada relação resistência/peso, imunidade à corrosão, facilidade e rapidez de aplicação.
Já se sabe de aplicações bem sucedidas nos EUA, no Japão e em países da Europa e da América Latina. No Brasil, grandes estruturas já foram reforçadas com PRFC. Entretanto, há ainda questões a serem respondidas e conhecimentos já existentes que podem melhor ser concebidos com vistas à potencialização dessa tecnologia.
algumas premissas iniciais, cuja finalidade foi de propiciar uma orientação que servisse como ponto de partida para a elaboração deste trabalho:
•Na prática da Engenharia, uma estrutura que necessita ser reforçada frequentemente não apresenta boa aparência e condições técnicas adequadas, devido à fissuração do concreto, à corrosão das armaduras, à espessura do cobrimento de concreto insuficiente, entre outras manifestações patológicas. Assim, a aplicação de qualquer método para o reforço da estrutura, deve ser necessariamente precedida por serviços de reparo ou recuperação estrutural;
•Apesar do considerável número de investigações experimentais já concluídas, poucos estudos foram destinados à avaliação do comportamento de vigas de concreto armado que tivessem sido previamente reparadas ou adequadamente preparadas para posterior reforço com PRFC;
•Adotou-se, como premissa desta pesquisa, a idéia de que a reconstituição do banzo tracionado da viga com um compósito cimentício de alto desempenho poderia formar um substrato de transição, com características mais apropriadas para a colagem do reforço com mantas de PRFC;
•O desprendimento prematuro é uma das principais limitações da técnica de reforço externo com PRFC. Com a premissa básica adotada, supôs-se que o substrato de transição pudesse controlar a fissuração do concreto de maneira a melhor explorar as propriedades resistentes do reforço e da viga reforçada como um todo;
•Conceitos da Mecânica do Fraturamento do Concreto têm-se mostrado valiosos na análise de processos de propagação de fissuras. Esses conceitos poderiam ser aplicados no desenvolvimento do compósito cimentício de alto desempenho e na avaliação do comportamento estrutural da viga reforçada.
A presente pesquisa teve o início com o estabelecimento dessas premissas, focalizando-se a investigação no estudo do reforço à flexão de vigas de concreto armado utilizando-se mantas de PRFC e no desenvolvimento de uma técnica de reconstituição prévia do banzo tracionado.
deixando de analisar o emprego de laminados de PRFC. Todavia, toda a metodologia experimental aqui trilhada, poderá ser aplicada em estudos futuros para o caso de reforço utilizando-se os laminados pré-fabricados.
1.2.OBJETIVOS
Este trabalho tem como objetivo geral propor, como uma inovação construtiva, o desenvolvimento de uma técnica de reforço à flexão de vigas de concreto armado, a qual compreende um processo de prévia recuperação da estrutura, pela elaboração e aplicação de um compósito de alto desempenho à base de cimento Portland e fibras curtas de aço, destinado a constituir o que está sendo chamado de “substrato de transição”. Com esse substrato, espera-se reconstituir o banzo tracionado de vigas de concreto armado de maneira a melhor explorar as propriedades resistentes do reforço com mantas de PRFC e, possivelmente, melhorar o desempenho da viga como um todo.
Como objetivos específicos, perseguidos por meio de metodologias próprias, têm-se:
•Avaliar a eficiência da técnica de reforço com mantas de PRFC em vigas de concreto armado, com o banzo tracionado previamente reconstituído com um compósito cimentício de alto desempenho;
•Desenvolver um compósito de alto desempenho à base de cimento Portland e fibras e microfibras de aço, capaz de promover a transferência de esforços entre o reforço de PRFC e a viga, de modo a melhorar as condições de adesão do PRFC e favorecer o controle e a configuração de fissuras críticas que possam culminar no desprendimento prematuro do reforço;
•Aplicar métodos teóricos para avaliação do desempenho da viga reforçada, com base na aplicação de conceitos da Mecânica do Fraturamento e do Método dos Elementos Finitos.
1.3.JUSTIFICATIVAS
A técnica tem também despertado o interesse de órgãos estatais ligados à infra-estrutura de transportes, assim como o de concessionárias privadas de rodovias brasileiras. Propriedades como alta resistência à tração, ausência de corrosão e facilidade de aplicação sem a interrupção do tráfego, são alguns dos pontos positivos para a aplicação do PRFC no reforço de pontes e viadutos.
Segundo o presidente de exportação de uma importante fabricante internacional de fibras de carbono, a elevada demanda atual, deve-se, predominantemente, à indústria aeroespacial, o que tem conduzido a uma falta do material no mercado. Uma rápida expansão da capacidade de produção não seria possível e, antes do final de 2006, não se deveria esperar uma mudança dessa situação. No entanto, ainda segundo o presidente, apesar do consumo de PRFC ser bem maior na indústria aeronáutica em comparação com o da construção civil, o foco nessa última, mais especificamente no campo de reforço estrutural, permaneceria inalterado.
Por se tratar de um material de propriedades mecânicas e durabilidade superior aos materiais tradicionalmente usados para o reforço de estruturas (chapas de aço e concreto), a técnica de reforço usando-se os PRFC tem campo de aplicação cativo na Engenharia de Estruturas.
No caso de vigas de concreto armado, o reforço com manta de PRFC aumenta a rigidez e a capacidade resistente das peças. Entretanto, é susceptível ao surgimento de uma ruína do tipo frágil e extremamente indesejável, pois impossibilita o total aproveitamento das propriedades resistentes à tração do polímero. Diversos trabalhos, como os de Juvandes (1999), Silva (2001), Ferrari (2002), Beber (2003), entre outros, alertam sobre a existência de modos de ruína frágeis relacionados à região da ligação reforço-adesivo-concreto.
Tais modos de ruína antecipam o colapso da viga reforçada por falha dos mecanismos de transferência de esforços. Um desses mecanismos refere-se ao destacamento localizado do reforço (efeito designado na literatura por peeling off), a partir de sua zona de ancoragem ou de zonas com excessiva concentração de fissuras de flexão e/ou cisalhamento. Incrementos mais significativos de resistência somente podem ser alcançados se os modos de ruína prematuros forem evitados (FIB, 2000).
mecânicas ou de corrosão, como ilustra a Figura 1.3 - para reconstituí-lo com o compósito cimentício de alto desempenho.
Para tanto, supõe-se que a parte reconstituída do banzo venha a formar um substrato de transição, cujas características seriam mais apropriadas para aplicação do reforço à flexão com manta de PRFC.
controlar fissuração "substrato de transição" pode ao concreto da viga e às armaduras
"substrato de transição" ligado
"bulbo de ancoragem"
longitudinal e transversal
colado ao substrato de transição reforço com PRFC
Figura 1.2 – Esquema de reforço com manta de PRFC e substrato de transição
a) viga de edifício residencial b) viga de passarela
c) vigas de viaduto
Reis (2003) estudou o comportamento de vigas de concreto armado reforçadas pela adição de armadura longitudinal ao banzo tracionado, o qual foi reconstituído com argamassa reforçada com fibras curtas de aço como esquematizado na Figura 1.4. Nesse trabalho, foi verificado que a argamassa com fibras de aço agiu eficientemente na transferência de esforços entre o substrato e a armadura de reforço, possibilitando a eliminação de estribos adicionais, normalmente utilizados na prática corrente como armadura de costura.
armadura adicional
Argamassa com fibras de aço (novo banzo reforçado)
a) esquema proposto b) detalhe da reconstituição do banzo Figura 1.4 – Técnica de reforço analisada por Reis (2003)
Dos ensaios realizados por Reis (2003), pôde-se observar que o uso de um compósito cimentício apropriado na reconstituição do banzo tracionado faz sentido e mostra-se eficiente. O mesmo conceito – com as devidas alterações – pode ser aplicado ao caso de reforço com manta de PRFC. Obviamente, os materiais utilizados e os mecanismos de transferência têm as suas diferenças, mas a idéia básica da técnica ora proposta consiste no desenvolvimento de um substrato de transição que se mostre mais habilitado a resistir ao desprendimento do compósito de PRFC e a controlar a fissuração do concreto.
1.4 APRESENTAÇÃO DA TESE
O desejo é que este trabalho possa contribuir para uma melhor compreensão do comportamento do reforço externo à flexão de vigas por meio da técnica de colagem de manta de PRFC. Espera-se que as dificuldades e limitações aqui encontradas, possam funcionar como alavanca para o desenvolvimento de futuros trabalhos.
O conteúdo dos capítulos consiste basicamente de:
Capítulo 1 – Introdução: apresenta-se a importância do tema, justificativa para a
Para alcançar as metas deste trabalho, foi necessário ter certo conhecimento sobre assuntos distintos. A reunião desses assuntos foi feita pela revisão bibliográfica, a qual, por sua vez foi desmembrada em dois capítulos.
No Capítulo 2 – Fundamentos teóricos, abordam-se conceitos relacionados à
recuperação de estruturas de concreto e as formas de aplicação do material de reparo para reconstituição do banzo tracionado de vigas de concreto armado. São apresentados ainda, nesse capítulo, conceitos teóricos sobre as propriedades de concreto com fibras de aço e os métodos de avaliação da resistência desse material sob o enfoque da Mecânica da Fratura.
No Capítulo 3 – Reforço de vigas de concreto com PRFC, expõe-se conceitos sobre o reforço de vigas com PRFC, seus modos de ruína, formas de aplicação e controle de qualidade. Alguns estudos realizados por outros pesquisadores, e que de certa forma, contribuem com o presente trabalho são apresentados.
No Capítulo 4 – Vigotas moldadas com fibras de aço e reforçadas externamente com manta de PRFC, expõe-se a nível de estudo preliminar, toda a metodologia desenvolvida e os resultados experimentais e numéricos obtidos a partir da análise do comportamento de vigotas reforçadas.
No Capítulo 5 – Compósitos cimentícios de alto desempenho, demonstra-se o desenvolvimento de um compósito cimentício com características adequadas para ser aplicado na reconstituição do banzo tracionado de vigas de concreto armado. Toda a metodologia, análises efetuadas e resultados obtidos a partir dos ensaios de flexão em três pontos em corpos-de-prova-prismáticos são apresentados.
No Capítulo 6 – Desempenho do CCAD em vigas não armadas entalhadas e
reforçadas à flexão com manta de PRFC, apresentam-se os resultados obtidos juntamente com a descrição da metodologia utilizada para investigar experimentalmente, numericamente e analiticamente o comportamento de viga não armadas entalhadas sem reforço e reforçadas à flexão com mantas flexíveis de PRFC.
No Capítulo 7 – Vigas principais: reconstituição e reforço do banzo tracionado, apresenta-se o programa experimental desenvolvido para confecção das vigas principais, para a reconstituição e reforço do banzo tracionado e para a intrumentação e realização dos ensaios.
materiais utilizados na confecção das vigas principais e os resultados alcançados por meio dos ensaios.
No Capítulo 9 – Conclusões e sugestões para trabalhos futuros, faz-se uma síntese das principais conclusões construídas ao longo da tese e apresentam-se sugestões para pesquisas futuras.
1.5.Bibliografia do Capítulo
BEBER, A. J. (2003). Comportamento estrutural de vigas de concreto armado reforçadas com compósitos de fibra de carbono. 317p. Tese (Doutorado) – Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre. 2003.
BEEBY, A. W.; ETMAN, E. (1999). Repair of reinforced concrete beams with corroded reinforcement using CFRP plates. In: INTERNATIONAL CONFERENCE ON STRUCTURAL FAULTS AND REPAIR, 8., 1999, London. Proceedings... Edinburgh: Engineering Technics Press. CD-ROM.
FÉDÉRATION INTERNATIONALE DU BÉTON (2000). FIB 2000: Bond of reinforcement in concrete–state-of-the-art report. Lauseanne. Bulletin 10.
FERRARI, V.J. (2002). Reforço à flexão em vigas de concreto armado com manta de fibra de carbono: mecanismos de incremento de ancoragem. Dissertação (Mestrado). Universidade Federal de Santa Catarina, Florianópolis. 2002.
JUVANDES, L. (1999). Reforço e reabilitação de estruturas de betão usando materiais compósitos de “CFRP”. 400p. Tese de Doutoramento, Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto (FEUP), Departamento de Engenharia Civil, Porto. 1999. NAKAMURA, J. (2005). Acidentes Anunciados. Revista Téchne, ed.98, p. 48-51, maio. REIS, A. P. A. (2003). Reforço de vigas de concreto armado submetidas a
pré-carregamento e ações de longa duração com aplicação de concretos de alta resistência e concretos com fibras de aço. 283p. Tese (Doutorado) – Universidade de São Paulo, Escola de Engenharia de São Carlos, São Carlos. 2003.
CAPÍTULO 2
FUNDAMENTOS TEÓRICOS
2.1.Reparo de elementos de concreto
Os custos envolvidos na intervenção e no reparo de estruturas de concreto armado são relativamente elevados. Segundo Landman (2001), só para as pontes de concreto brasileiras, estima-se que o custo atual em manutenção possa chegar a valores da ordem de 10 bilhões em planos de recuperação para cinco anos.
A Engenharia Civil e a cadeia produtiva envolvidas nesse ramo devem, portanto, atentar pela execução de planos de manutenção bem sucedidos que busquem aumentar a vida útil residual das estruturas. Todavia, não há normas brasileiras no campo da recuperação estrutural. Isto afeta tanto a indústria, que tem dificuldades em padronizar propriedades e níveis de desempenho a serem atingidos pelos seus produtos, quanto a profissionais, que podem fazer escolhas e especificações impróprias devido à variedade de técnicas e produtos existentes.
a) aspecto de uma junta de concretagem
defeituosa b) nicho de concretagem
Figura 2.1 – Defeitos na superfície de estruturas de concreto armado
O processo de deterioração de uma estrutura de concreto é potencializado por deficiências nos projetos estruturais e no processo construtivo da obra e, em particular, pela baixa qualidade do concreto empregado. Assim, o número de casos de recuperação de estruturas de concreto aumenta com o avanço da idade das obras brasileiras.
Para a execução de serviços de recuperação, os profissionais envolvidos devem necessariamente ser especialistas, para que possam identificar corretamente as causas dos problemas existentes e especificar adequadamente os materiais e técnicas a serem empregados.
2.1.1.Correção de defeitos em elementos de concreto
As medidas para correção de defeitos das estruturas de concreto podem incluir pequenos reparos localizados, quanto uma recuperação generalizada ou um reforço de elementos da estrutura (Figura 2.2). Assim, para efeito de um melhor entendimento sobre o uso dos termos “reparo” e “reforço”, definem-se significados adotados neste trabalho:
•Reparo: consiste na substituição ou na correção localizada de materiais, componentes ou elementos de uma estrutura deteriorada, danificada ou defeituosa;
a) reparo localizado em bloco de concreto b) reforço de viga baldrame Figura 2.2 - Reparo e reforço de estruturas de concreto armado
O reparo de uma estrutura, de acordo com as considerações do FIB (2001), pode ser entendido como a ação de correção de uma deficiência estrutural ou funcional. Essa ação, muitas vezes, destina-se a apenas reduzir o nível de deterioração do elemento sem melhorar significativamente a sua funcionalidade.
Os serviços de reparo só devem ser iniciados a partir de um diagnóstico do problema existente e do projeto de recuperação. O projeto define estratégias para realização da intervenção e pode ser considerado como de fundamental importância para o sucesso da recuperação estrutural. A título de exemplo, um bom projeto de recuperação deve contemplar pelo menos as etapas ilustradas na Figura 2.3.
Cada elemento estrutural a ser recuperado apresenta características peculiares, e assim uma padronização única de procedimentos e materiais torna-se difícil. Porém, os procedimentos gerais, comumente utilizados como guia, para o reparo de um elemento estrutural são:
•Definição da região de reparo;
•Preparo do substrato;
•Limpeza do substrato;
•Aplicação do material de reparo a fim de recompor a geometria original do elemento;
1 - INTRODUÇÃO
2 - SERVIÇOS Reparo
3 - MATERIAIS DE REPARO
Argamassas Microconcretos Grautes
4 - EQUIPAMENTOS
Martelo penumático Disco de corte Talhadeira Jateamento 5 - MÃO DE OBRA
Distribuição das etapas
Figura 2.3 – Etapas de um projeto de recuperação (adaptado do Manual de reabilitação, 2003)
A região de reparo deve ser definida com razoável precisão. Ao contrário do que possa parecer, é um procedimento que deve ser cuidadosamente executado. Se a definição for mal feita, pode-se erroneamente considerar como boas regiões aquelas que realmente não o são, ou mesmo a atuar sobre regiões que não apresentam problemas, o que consequentemente aumentaria os custos da intervenção.
Para definir a região de reparo, o Manual de Reabilitação (2003) recomenda a utilização do diagrama de fluxo apresentado na Figura 2.4. Salienta-se que para definir a região de intervenção podem ser empregadas técnicas destrutivas e não-destrutivas e sempre, evidentemente, a inspeção visual.
IDENTIFICAÇÃO DA REGIÃO DE REPARO
Regiões estão definidas no projeto ?
Definir a região
Emprego de técnicas destrutivas e não destrutivas
NÃO SIM
Demarcar região
Preparação da região
Figura 2.4 – Fluxograma para definição da região de reparo (Manual de Reabilitação, 2003)
Corte transversal
concreto
Vista em planta
região de reparo
Incorreto
Incorreto
Correto
região danificada região de reparo
evitar ângulos agudos
Figura 2.5 – Delimitação da região de reparo (Manual de Reabilitação, 2003)
posterior ao das armaduras, a fim de deixar estas em condições de serem tratadas e também de melhorar as condições de ancoragem do novo material. Helene (1992) recomenda que se elimine em cerca de 1 a 2 cm o concreto atrás das armaduras corroídas para que em seguida ocorra preenchimento dos vazios ao redor das barras pelo material de reparo.
Na limpeza do substrato interessa eliminar partículas de concreto mal aderidas e elementos estranhos como lama, sujeira, graxa e detritos de pó que possam atrapalhar a aderência com o concreto antigo. Isso pode ser realizado empregando-se jato de ar comprimido. Para aplicação do material de reparo, as técnicas mais conhecidas para casos específicos de vigas de concreto armado são:
1) Montagem de fôrmas e preenchimento convencional (Figura 2.6)
É um método bem empregado e que consiste basicamente na montagem de fôrma para o preenchimento da cavidade com o novo material de reparo. Para tanto, o material deve ter fluidez suficiente para se adaptar no interior da fôrma. Já as fôrmas devem permitir o acesso do material na cavidade, para isso usam-se calhas ou também conhecido por cachimbos. Deve-se prever a eliminação de bolhas de ar mediante o uso de tubos ou respiradores.
ARMADURA EXISTENTE ESCARIFICAÇÃO
MATERIAL DE REPARO LANÇAMENTO
FÔRMA DOTADA DE "CACHIMBO" 1
3
ESCORAMENTO
2) Montagem de fôrma e bombeamento (Figura 2.7)
É um método que consiste na montagem da fôrma e bombeamento do material de reparo para o interior da cavidade. O material de reparo deve atender ao requisito de ser bombeável. A fôrma deve confinar totalmente a cavidade a reparar e devem ser previstos tubos para entrada do material e para ventilação, assim como também válvulas ou dispositivos de fechamento.
ESCORAMENTO
ENTRADA DE MATERIAL FÔRMA
VENTILAÇÃO
ARMADURA EXISTENTE MATERIAL DE REPARO
Figura 2.7 – Aplicação de material de reparo em viga por meio de bombeamento (adaptado de Helene, 1992)
3) Projeção do material de reparo(Figura 2.8)
É um método pelo qual o material de reparo é projetado pneumaticamente em alta velocidade sobre o substrato da estrutura existente. Pode ser empregado para reparos em superfícies verticais, horizontais e inclinadas.
2.1.2.Requisitos de desempenho
A escolha do material de reparo e de sua técnica de aplicação está vinculada ao diagnóstico do problema, das características da região danificada e das exigências de funcionamento do elemento estrutural a ser reparado. Em casos de elementos estruturais que precisam ser recolocados em serviço logo após algumas poucas horas da execução do reparo, pode ser uma saída a utilização de sistemas a base de epóxi e poliéster, apesar do elevado custo. Agora em casos, onde se tem prazos um pouco mais dilatados é conveniente utilizar materiais à base de cimento Portland, como argamassas, grautes ou microconcretos.
A compatibilidade entre o substrato de concreto e o material de reparo deve ser avaliada. Para tanto, Bertolo & Selmo (2005) salientam que o comportamento do elemento estrutural deve ser previamente conhecido a fim de se definir o tipo de reparo mais adequado. Cusson & Mailvaganam (1996) consideram que a falta de informação sobre o desempenho de produtos de reparo é uma das causas de insucesso na recuperação de estruturas nos Estados Unidos.
Medeiros & Selmo (2001), apresentam na Figura 2.9 os requisitos a serem considerados para se obter a compatibilidade de deformações entre o reparo e o elemento estrutural. Pela interpretação do conceito de compatibilidade, os reparos devem resistir por certo período de tempo às tensões induzidas por cargas, mudanças de volume, reações químicas ou eletroquímicas na interface com as armaduras e com o ambiente.
Variações volumétricas
COMPATIBILIDADE DE DEFORMAÇÕES
Material reparo Temperatura e
umidade em serviço cargas
Retração por secagem Estrutura
reparo Interface do
deformação Capacidade de Aderência
A aderência entre o substrato de concreto e o material de reparo deve ser garantida para que assim possa absorver tensões provocadas por mudança de volume dos materiais envolvidos, nas variações de umidade, temperatura e cargas de serviço. A retração por secagem do material de reparo de base cimentícia deve ser evitada, pois o mecanismo de secagem provoca tensões que podem gerar fissuras na interface com o concreto. Assim, o objetivo é de que a aderência entre o substrato e o material de reparo permita transferência de tensões na interface, de maneira que o reparo e a estrutura apresentem deformações homogêneas e compatíveis (BERTOLO & SELMO, 2005).
Com relação à compatibilidade eletroquímica, quando se realiza um reparo a armadura fica embutida parte no concreto antigo e parte no material de reparo. Isso pode provocar o surgimento da macropilha de corrosão, principalmente em locais aparentemente íntegros antes da intervenção e na interface com o reparo. A parte da armadura em contato com o concreto antigo, passa a atuar como ânodo, enquanto a parte recuperada passa a funcionar como cátodo. Conforme Bertolo & Selmo (2005), para as argamassas de reparo, são apresentadas na Tabela 2.1, algumas de suas propriedades que podem afetar a compatibilidade eletroquímica.
Tabela 2.1 – Propriedades básicas do sistema e das argamassas de reparo
Estado Requisitos Argamassas de reparo Sistema de reparo
Fresco Trabalhabilidade
Manutenção da consistência até após 1 ou 2 horas; densidade de massa aparente
Facilidade de aplicação e acabamento superficial
Compatibilidade de deformações
Resistência à tração, compressão, módulo de elasticidade, retração linear potencial por secagem livre
Aderência inicial à tração direta, por cisalhamento ou esforços
mistos; aderência final após envelhecimento acelerado ou
natural Endurecido
Compatibilidade eletroquímica
Composição química (aditivos e adições), resistência à carbonatação, resistência à penetração de íons agressivos
(Cl, SO4), resistividade
elétrica
Susceptibilidade à formação de macrocélulas em armaduras, controle de permeabilidade do
reparo e da interface
Fonte: Bertolo & Selmo (2005)
Ainda segundo os autores, a manutenção da trabalhabilidade do material no estado fresco é uma propriedade indispensável ao material de reparo, pois ela garante a aderência do material. A densidade de massa aparente é outra característica importante, pois controla o rendimento e a constância do teor de ar incorporado.
resistência à compressão, permeabilidade por porosidade e resistência à carbonatação, são algumas das propriedades mais discutidas.
Vaysburd & Emmons (2000) defendem que o material de reparo precisa ter baixo módulo de elasticidade e retração e altos valores de resistência à tração, o que deve garantir resistência ao surgimento de fissuras na interface. Mailvaganam (1992) também entende que o baixo módulo de elasticidade pode contribuir para amenizar tensões na interface do reparo, decorrentes da retração por secagem ou efeito térmico.
Uma classificação mais quantitativa das propriedades do material de reparo no estado endurecido é apresentada na Tabela 2.2. Essa proposta de classificação foi elaborada pelo estudo de Medeiros & Selmo (2001) realizado em treze argamassas de reparo, sendo seis de preparo em obra e sete industrializadas do mercado de São Paulo, em 2001.
Tabela 2.2 – Requisitos e critérios sugeridos para controle e especificação de argamassa de reparo
Método Limites e faixas propostas de classificação
Consistência inicial Para aplicação manual: 200 + 10 mm
Resistência à tração na flexão, 28 dias Alta: > 11 MPa / Média: 9 a 11 MPa / Baixa: < 9 MPa Resistência à compressão, 28 dias Alta: > 55 MPa / Média: 45 a 55 MPa / Baixa: < 45 MPa
Retração por secagem, 7 dias Baixa: <0,07% / Média: 0,07 a 0,10% / Alta: >0,10% Aderência por cisalhamento ou por
tração direta a um substrato padrão
A ruptura deve preferencialmente ocorrer no concreto de substrato
Absorção de água por capilaridade (após 24 horas de ensaio)
Baixa: < 0,5 kg/m2.h-0,5 / Média: 0,5 a 1,0 kg/m2.h-0,5 / Alta: > 1,0 kg/m2.h-0,5
Fonte: Medeiros & Selmo (2001)
2.2.Materiais cimentícios reforçados com fibras de aço
O concreto é o material mais largamente usado na construção. Estima-se que o seu consumo mundial anual seja de seis bilhões de toneladas, ou seja, é o segundo bem de consumo mais utilizado pelo homem, só perdendo para a água. É popularmente conhecido pela sua facilidade de produção e versatilidade.
Entretanto, a matriz cimentícia de concretos e argamassas tem baixa resistência à tração em relação à sua resistência à compressão, baixa capacidade de deformação e perde quase que imediatamente a sua resistência após o surgimento da primeira fissura, como ilustrado na Figura 2.10.
Neste sentido a incorporação de fibras curtas de aço, de elevada resistência à tração e ductilidade, na matriz cimentícia pode melhorar a sua capacidade de carga e de deformação. A presença dessas fibras não melhora a resistência à tração da matriz, porém, mantém uma capacidade portante pós-fissuração e suporta deformações bem maiores do que a matriz sozinha.
Te
n
sã
o
Deformação concreto simples
concreto com fibras fissuração da
matriz
Figura 2.10 – Comportamento de matrizes cimentícias
O ACI 544.1R (1996) define o concreto com fibras de aço como um material feito de cimento hidráulico contendo agregados miúdos e graúdos e fibras discretas e descontínuas. O concreto reforçado com fibras de aço (CRFA) pode ser considerado um compósito, onde a matriz é o concreto de cimento Portland e o reforço é constituído pelas fibras de aço distribuídas aleatoriamente na matriz.
papel fundamental no controle da propagação de fissuras no concreto. Elas alteram o comportamento mecânico do concreto após a ruptura da matriz e melhoram a sua tenacidade, ou seja, a sua capacidade de absorção de energia.
Como exemplifica a Figura 2.11, as fissuras existentes numa matriz de concreto podem ser interceptadas pelas fibras, que por sua vez, opõem-se a tendência de alargamento das fissuras devido à sua aderência com a matriz. Como resultado, há um aumento na tenacidade do material, pois mais energia é necessária para que ocorra abertura das fissuras. Dessa maneira, a ruína torna-se menos frágil, por conta de deformações plásticas e do escorregamento das fibras.
SEM FIBRAS
Concentração de tensões
na frente da fissura de transferência de tensõesFibra atuando como ponte
COM FIBRAS
Fissura
Figura 2.11 – Mecanismo de controle de propagação de fissuras (NUNES & AGOPYAN, 1998)
2.2.1.Tipos e propriedades das fibras de aço
Segundo Tamini (2001) existem três tipos principais de fibras que podem ser usadas como reforço da matriz cimentícia. São elas:
• Fibras metálicas: usualmente de aço;
• Fibras minerais: sendo o vidro, o mais comum;
• Fibras poliméricas: incluindo aí o carbono, nylon, polipropileno e poliéster.
A escolha entre um e outro tipo de fibra a ser usada depende das características que se deseja obter com o material. De acordo com Oliveira (2005) as fibras com módulo de elasticidade menor e alongamento maior do que as matrizes de cimento, como por exemplo, as fibras de polipropileno e polietileno, são capazes de absorver grandes quantidades de energia, proporcionando assim elevada tenacidade. Entretanto, não contribuem muito para o aumento da resistência do compósito.
aço fabricadas no Brasil para adição no concreto possuem comprimentos que variam da ordem de 25 a 62,5 mm. Possuem resistência à tração entre 345 a 2.100 MPa e módulo de elasticidade de 200 a 210 GPa. Para facilitar o seu manuseio, as fibras de aço podem ser agrupadas em feixes de 10 a 30 fibras coladas por meio de cola solúvel em água, que se dissolve durante o processo de mistura.
Com relação à sua geometria, várias formas surgiram ao longo dos anos devido à evolução do processo industrial de fabricação e/ou com objetivo de se obter melhor ancoragem à matriz de cimento. A Figura 2.12 mostra as características geométricas de alguns tipos de fibras de aço.
Normalmente, as fibras possuem perfil longitudinal variável que pode se estender ao longo de todo o seu comprimento (fibras onduladas) ou somente nas extremidades, no caso de ganchos. A finalidade é a de melhorar o desempenho da fibra na aderência e escorregamento, por meio de ancoragem mecânica que é mais eficiente que os mecanismos de atrito e cisalhamento que predominam em fibras retas e lisas (BENTUR & MINDESS, 1990).
De acordo com o ACI 544.1R (1996), uma característica muito importante das fibras é o seu fator de forma, definido como sendo a relação entre o seu comprimento e o seu diâmetro (lf/df). No caso de fibras com seção transversal não circular usa-se o seu diâmetro equivalente.
Formato longitudinal Seção
25mm
30mm
30mm
25mm
0,45x0,50mm
0,50mm diâmetro:
diâmetro: 0,65mm
1,35x0,50mm
2.2.2.Características do comportamento de um CRFA
A geometria, o volume de fibras e a dimensão máxima dos agregados são aspectos importantes que devem ser considerados quando da utilização de fibras de aço em matrizes de concreto. Segundo descrito em Nunes et al. (1997) o agregado graúdo não pode ter diâmetro máximo duas vezes maior que o comprimento da fibra, pois o efeito de ponte na transferência de tensões pela fibra pode ser diminuído. Isto ocorre porque a fissura propaga-se preferencialmente ao longo da interface agregado-matriz do que pela fibra, como exemplificado na Figura 2.13.
Deve então, existir compatibilidade dimensional entre agregados e fibras, de modo que as fibras interceptem com maior freqüência possível as fissuras que surgem no compósito. Segundo Figueiredo (2000) um concreto com compatibilidade dimensional entre agregado e fibra pode ser representado pela Figura 2.14.
Fibra
Fissura
Brita
Figura 2.13 – Propagação preferencial de fissura na interface agregado-matriz (NUNES et al, 1997)
Figura 2.14 – Compatibilidade dimensional entre fibras e agregados (FIGUEIREDO, 2000)
Os benefícios da adição de fibras em um concreto podem ser os seguintes:
• Resistência às forças de tração após a fissuração da matriz por conta da oposição das fibras ao arrancamento;
• Aumento da resistência ao cisalhamento;
• Aumento da resistência à flexão;
• Melhoria da resistência ao impacto;
• Aumento da resistência à fadiga sob ações cíclicas.
Na matriz cimentícia de um concreto existem inúmeras falhas iniciais (Figura 2.15). Kim et al. (1999) verificaram que essas falhas são aproximadamente da ordem de 60 µm. De acordo com Nelson et al. (2002), quando o concreto é carregado, desenvolvem-se regiões de concentração de tensões na ponta dessas falhas, formando-se assim, as microfissuras. Consequentemente, as falhas iniciais propagam-se em direção à região completamente microfissurada à sua frente. Segundo Kamada et al. (1998) a microfissuração é um dano que antecede a formação da fissura em uma matriz cimentícia.
Quando são introduzidas fibras curtas de aço na matriz de concreto, elas atuam como obstáculos ao desenvolvimento das microfissuras. Nelson et al. (2002) consideram que se o mecanismo de microfissuração, que antecede a formação da macrofissuração na matriz cimentícia, for corretamente compreendido, um compósito pode ser projetado de maneira a se obter uma elevada resistência à primeira fissura.
Nesse sentido, Betterman et al. (1995) apud Nelson et al. (2002) investigaram a eficiência de microfibras na retenção à propagação das microfissuras na matriz cimentícia. Os autores relataram que as microfibras foram capazes de conter o crescimento das microfissuras e atrasar o início da formação da fissura. Nelson et al. (2002) classifica como microfibras, fibras com diâmetro menor ou igual a 30 µm.
Segundo Bentur & Mindess (1990) a interação fibra-matriz, ou seja, a transferência de tensões entre a matriz e as fibras ocorre antes e após a fissuração da matriz. Antes da fissuração, a transferência de tensões é de natureza elástica, as deformações na interface são compatíveis para a fibra e a matriz e a transferência de tensões ocorre por aderência.
falha inicial
região de concentração de
tensões
Figura 2.15 – Ilustração do início do dano em uma matriz cimentícia
A transição da transferência de tensões elásticas para tensões por atrito ocorre quando a tensão tangencial na interface excede a resistência de aderência por adesão entre a fibra e a matriz. Inicia-se a ruptura da adesão e as tensões tangenciais de atrito começam a atuar na interface.
Se a resistência à tração da matriz é elevada, a ruptura da adesão ocorre antes da fissuração da matriz. Por outro lado, se a resistência da matriz é baixa, a fissuração acontece antes da ruptura da adesão entre a fibra e a matriz. Pela Figura 2.16, pode-se verificar o processo de arrancamento de uma fibra da matriz. A presença do gancho mobiliza um maior volume da matriz para resistir à extração da fibra.
Figura 2.16 – Arrancamento de fibra de aço com gancho na extremidade (BENTUR & MINDESS, 1990)
2.2.2.1.Comportamento na flexão de vigas de CRFA
A resistência à tração na flexão de um concreto é uma propriedade influenciada pela adição de fibras. As fibras de aço por restringir a abertura e a propagação de fissuras tornam o compósito mais tenaz ao aumentar a sua capacidade de absorção e dissipação de energia durante o processo de fissuração e de fraturamento.
A Figura 2.17 ilustra a influência do teor de fibras de aço (fator de forma igual a 80) no comportamento à flexão em três pontos de vigas de concreto de alta resistência. Segundo Shah et al. (1995) a melhoria de desempenho do CRFA caracteriza-se pelas mudanças significativas que ocorrem no regime de ruptura desse material. Sendo o concreto simples um material de ruptura quase-frágil, as modificações decorrentes da adição de fibras de aço à matriz podem ser traduzidas pelo aumento dos níveis de ductilidade conferido ao elemento estrutural, especialmente na fase de pós-pico do histórico de carregamento.
A contribuição principal das fibras ocorre então, após a fissuração da matriz. Assim, as fibras podem aumentar a resistência do compósito pela transferência de forças entre as fissuras e, aumentar a tenacidade por meio do alongamento e do escorregamento das fibras. O comportamento de uma viga de CRFA, de acordo com Nunes (1998), pode ser fragmentado em quatro estágios representados na Figura 2.18.
•Estágio elástico: até o ponto da primeira fissura, corresponde ao primeiro estágio de comportamento em que a viga não se encontra fissurada. Nesse estágio, as fibras não influenciam no comportamento do compósito;
•Estágio de microfissuração da matriz: a resistência da matriz é alcançada e são desenvolvidas microfissuras sucessivas. Numa viga de concreto simples, a microfissuração propaga-se rapidamente. Porém, numa viga de CRFA a microfissuração é restringida até que o carregamento máximo é alcançado e apareça uma primeira macrofissura;
•Estágio de macrofissuras: corresponde ao terceiro estágio de comportamento da viga de CRFA, onde ocorre propagação das fissuras e arrancamento de fibras;
•Estágio final: as fibras são alongadas ou arrancadas da matriz fissurada, o que resulta numa zona livre de tração. Esse estágio é exemplificado na Figura 2.19.
estágio 3 estágio 4
estágio 2 estágio 1
Força
Deslocamento
Tensões
zona comprimida zona de tração elástica
zona de "ponte" do
agregado
zona de "ponte" das
fibras
Linha neutra
zona livre de tração
zona
tracionada
zona
comprimida
Figura 2.19 – Estágio final do comportamento de uma viga de CRFA (Nunes, 1998)
A influência das fibras passa a ser importante somente após surgimento da primeira fissura, ou seja, quando se instala o processo de microfissuração sucessiva da matriz, que transfere as tensões para as fibras, as quais por sua vez, transportam as tensões para regiões íntegras da matriz. Assim, após este estágio, o comportamento de uma viga de CRFA é dirigido pelas fibras e o acréscimo de tensão conduzirá à ruptura ou ao arrancamento das fibras (BENTUR & MINDESS, 1990).
A capacidade de absorção de energia pelo CRFA é uma característica mecânica muito influenciada pela adição das fibras. Essa é uma das principais razões para se adicionar fibras ao concreto. Após atingir a carga máxima, o decréscimo de tensão é acompanhado por grandes deformações e, segundo o ACI 544.1R (1996), a energia total absorvida por uma viga de CRFA é 10 a 40 vezes superior a uma viga sem fibras.
Pelo ACI 544.1R (1996) a tenacidade é definida como a energia total absorvida antes da completa separação do corpo de prova. Pode ser medida tomando-se a área completa abaixo da curva força-deslocamento no ensaio de flexão. Com relação à contribuição das fibras à tenacidade, não existem dúvidas. Porém, ainda não existe um consenso sobre como expressar essa propriedade de maneira quantitativa.
2.2.2.2.Comportamento ao cisalhamento de vigas de CRFA
Com a utilização de fibras de aço, o comportamento de uma viga de concreto submetida a solicitações tangenciais pode ser melhorado. Segundo alguns pesquisadores, quando tais fibras são incorporadas à matriz de concreto é possível ter:
•Aumento da resistência ao cisalhamento e da rigidez das vigas após a fissuração do concreto (IMAN et al., 1994; FURLAN JR. & HANAI, 1997; MORENO JR & PINTO JR, 1999; LIM & OH, 1999);
•Maior ductilidade à ruína da viga (IMAN et al., 1994; FURLAN JR & HANAI, 1997);
•Menor progresso da fissuração (FURLAN JR & HANAI, 1997; MORENO JR & PINTO JR, 1999);
•Substituição da ruptura por cisalhamento pela ruptura por flexão-cisalhamento ou por flexão, o que confirma a contribuição das fibras ao cisalhamento (FURLAN JR, 1995);
•Redução da flecha (FURLAN JR & HANAI, 1997), e;
•Substituição parcial dos estribos necessários para uma viga de concreto armado (LIM & OH,1999; LI, 2002).
A ruína por cisalhamento de uma viga de concreto simples, devida à formação de uma fissura diagonal pode ser considerada estruturalmente instável. Num CRFA, segundo Li (2002), assim que se forma uma fissura diagonal, as fibras tornam-se mais efetivas devido ao efeito de ponte que costura a fissura. Esse efeito, associado à redistribuição de tensões através das fissuras e, consequentemente da formação de outras fissuras diagonais, evita a ruína frágil por cisalhamento. De acordo com Iman et al. (1994) as fibras permanecem resistindo até o seu completo arrancamento através de uma fissura crítica.
Figura 2.20 – Incremento da capacidade ao cisalhamento pela adição de fibras (BALAGURU & SHAH, 1992 apud LI, 2002)
De acordo com Lim & Oh (1999), em vigas esbeltas (av/d > 2,50), sem estribos e reforçadas com fibras de aço, o esforço cortante como exemplificado pela Figura 2.21, é transmitido por meio: da parcela do concreto comprimido (Vc), de forças de atrito desenvolvidas entre as faces da fissura diagonal (Va), do efeito de pino da armadura longitudinal que atravessa a fissura (Vp) e pelas componentes da força de arrancamento das fibras ao longo da fissura diagonal (Vfib).
Vc
C
V
fibT
p
V
V
aFigura 2.21 – Mecanismos resistentes de uma viga de concreto com fibras segundo Lim & Oh (1999)
